Software para Dimensionamento de Rede Hidráulica e Relação de Materiais
O desenvolvimento do programa apresentado neste artigo foi norteado pela necessidade que tínhamos de, através de ferramenta de simples utilização, podermos calcular com precisão e rapidez uma rede hidráulica, a altura manométrica a ser vencida pela bomba e a relação básica de materiais.
O programa foi concebido sobre plataforma Excel e constitui-se de uma única planilha com capacidade para até 30 trechos de tubulação. Caso a rede a ser calculada tenha mais que 30 trechos, a planilha pode ser reproduzida tantas vazes quantas necessárias.
O programa permite optar entre três tipos de tubulação: tubo de aço schedule 40 – circuito fechado, tubo de aço schedule 40 – circuito aberto e tubo de cobre tipo “L”.
A planilha é dividida em duas partes: a superior, constituída de 30 linhas, a cada uma correspondendo um trecho da tubulação, refere-se aos diâmetros dos tubos e aos cálculos da velocidade da água no seu interior e da perda de carga. A parte inferior da planilha, constituída de 11 linhas, a cada uma correspondendo um diâmetro de tubo, indica o material necessário à montagem da rede hidráulica. O preenchimento desta parte é automático e cabe ao usuário somente preencher a espessura do isolamento térmico para efeito de seu revestimento.
As células têm cores com o seguinte significado:
Brancas – células a serem preenchidas pelo usuário;
Amarelas e marrom (na parte superior da planilha) – células preenchidas com valores calculados pelo programa;
Azuis (na parte inferior da planilha) – células preenchidas com valores calculados pelo programa.
Os títulos das colunas indicam seu preenchimento e, posicionando-se o cursor sobre alguns títulos, aparecerão as instruções necessárias.
Diferentemente dos dutos de ar, que são confeccionados nas dimensões especificadas, os tubos hidráulicos são fabricados em tamanhos padrões. Então é atribuído um diâmetro para cada trecho e os valores da velocidade e da taxa de perda de carga indicarão se o diâmetro assumido é adequado e, se não for, deverá ser tentado outro diâmetro. Para isso foram estabelecidas cores de alerta para velocidade e para taxa de perda de carga, como indicado abaixo:
| Velocidades | Taxas de Perda de Carga | |
| Verde – valores recomendados | 1,5 a 2,5 m/s | 6 a 10 mC.A.por 100 m de tubo |
| Rosa – valores limites (a serem evitados) | 2,5 a 4,5 m/s | 10 a 15 mC.A.por 100 m de tubo |
| Vermelhos – valores excessivos (não usar) | Acima de 4,5 m/s | Acima de 15 mC.A.por 100 m de tubo |
Esses valores de velocidade e de taxa de perda de carga atendem a limites de ruído admissíveis, abrasão dos tubos e dimensionamento econômico da tubulação. São valores estabelecidos por observações e experiências que vêm sendo realizadas há décadas e consagrados pela literatura especializada.
Princípios teóricos
O regime de escoamento é estabelecido pelas propriedades físicas da água, de sua velocidade, do diâmetro do tubo e de sua rugosidade efetiva. Com os valores dessas propriedades, calcula-se para cada trecho o fator de fricção e, pela equação de Darcy-Weisbach, a taxa de perda de carga distribuída. Com as velocidades e taxas de perda de carga usadas, o escoamento se dá sempre em regime turbulento, na zona intermediária do diagrama de Moody, região em que o fator de fricção depende não só da rugosidade relativa do conduto, mas também do número de Reynolds.
Para os tubos de aço em circuito aberto, os depósitos nas paredes internas dos condutos são muito maiores que para circuito fechado, resultando em fatores de fricção maiores e pequena redução dos diâmetros dos condutos.
No caso de tubos de cobre, em virtude da lisura da superfície, o depósito de materiais é pequeno e, por isso, considera-se o mesmo escoamento para circuito aberto e circuito fechado.
Uso do programa
Vamos tomar como exemplo a rede hidráulica mostrada no esquema abaixo:
Segue abaixo o procedimento a ser seguido pelo usuário para preenchimento da planilha mostrada a seguir:
Planilha Operacional
- Na 2ª linha, o “Tipo de Tubo” deverá ser escolhido em menu suspenso entre três disponíveis: tubos de aço schedule 40-circuito fechado, tubos de aço schedule 40-circuito aberto e tubos de cobre tipo “L”;
- A primeira coluna, “Trecho”, indica o trecho de tubo correspondente à respectiva linha;
- Na segunda coluna, “Isolamento”, serão preenchidos com “x” os trechos isolados;
- Na 3ª coluna, “Repetição”, será indicado o número de vezes que aquele trecho se repete;
A 2ª e 3ª colunas só têm importância para a Relação de Materiais, não interferem no dimensionamento da rede hidráulica.
- A coluna seguinte, “Vazão”, será preenchida com os valores das vazões em cada trecho;
- Seguindo a seqüência, a coluna “Diâmetro/Equipamento” indica o diâmetro das conexões do equipamento e serve para ajudar o usuário a estabelecer o diâmetro do tubo;
- A coluna “Diâmetro/Tubo” é preenchida com valor atribuído pelo usuário e deverá ser alterado em função das cores de alerta indicadas nas duas colunas seguintes;
- A duas colunas seguintes, “Velocidade” e “Perda de Carga Distribuída”, preenchidas pelo programa, indicarão a velocidade da água e a taxa de perda de carga no tubo correspondente àquele trecho. O usuário deverá observar se as cores das células indicam a necessidade de se alterar o diâmetro assumido;
- A coluna “Comprimento Real” será preenchida com o comprimento do tubo medido na obra ou nos desenhos;
- As 14 colunas seguintes serão preenchidas com a quantidade de singularidades existentes nos respectivos trechos;
- A coluna “Perda nos Tubos” será calculada e preenchida pelo programa e não inclui as perdas de carga nos equipamentos;
- As 7 colunas seguintes serão preenchidas pelo usuário com os valores das perdas de carga nos equipamentos, valores indicados pelos fabricantes;
- A coluna “Altura Geométrica” será preenchida com a altura geométrica a ser vencida pela bomba. Nos circuitos fechados, essa altura é nula;
- A coluna “Altura Manométrica” é calculada e preenchida pelo programa e indica a altura manométrica a ser vencida pela bomba em cada trecho;
- A célula inferior da coluna “Altura Manométrica” indica a altura manométrica total a ser vencida pela bomba hidráulica para o circuito indicado na coluna seguinte (última coluna). Se o usuário desejar, a célula ao lado pode ser preenchida com o fator de segurança desejado, em %;
- Na última coluna da parte superior da planilha, “Circuito”, serão preenchidas com “x” as células correspondentes ao circuito que se deseja calcular;
- Na parte inferior da planilha, só devem ser preenchidas as células correspondentes às espessuras do isolamento térmico, que influirão no cálculo do material de revestimento do isolamento;
- Finalmente, na parte inferior da planilha, foram reservadas seis linhas para observações que o usuário queira registrar.
Balanceamento da rede hidráulica
Quanto mais parecidas forem as perdas de carga para cada circuito paralelo, mais balanceada será a rede hidráulica. Primeiro, calcula-se a perda de carga para cada circuito e, depois, altera-se os diâmetros dos tubos para se obter circuitos com perdas mais próximas possível, sempre tomando cuidado para não se exceder os valores recomendados de velocidade e de taxa de perda de carga.
Autoria: Walter Vaccaro – engenheiro mecânico, foi professor na FEI e na Escola Politécnica da USP, responsável técnico pela Consultermo.
Bibliografia
Fluid Mechanics (Frank White)
ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers Handbook
Este artigo não poderá ser reproduzido sem a expressa autorização do autor.
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